片上对称电感的射频模型

摘要

一种片上对称电感的射频模型，所述射频模型适于模拟所述片上对称电感的衬底涡流效应，所述片上对称电感和半导体衬底之间隔离有介质层，所述射频模型包括N个衬底涡流等效电路，以及N‑1个衬底涡流变化等效电路，适于模拟所述片上对称电感的外圈与内圈的衬底涡流变化趋势，N≥1。采用上述方案可以提高片上对称电感的品质因子Q及其电感值的模拟精度。

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，尤其涉及一种片上对称电感的射频模型。

背景技术

射频电感器件是如互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetalOxide Semiconductor，CMOS)等集成电路上的重要元件，广泛应用在压控振荡器及 低噪声放大器等各种射频电路中。随着电路性能的不断提高，电路结构通常 具有平衡、差分的形式，在这些电路中，那些原本在单端电路中一端接地的 射频电感就转变成两端分别接入差分信号的差分电感。由于差分电感两端的 信号有相同的幅度和相反的相位，这就要求差分电感的电气性能尽量对称， 因此差分电感通常具有对称的集合形状，也被成为对称电感。

片上射频电感器件即为多个金属螺旋线圈，金属螺旋线圈会在其相应的 半导体衬底上产生电感线圈电流，电感线圈电流会在衬底中形成磁场耦合引 起的涡流以及电场耦合引出的位移电流。为了更好地制作片上射频电感器件， 如果能够先得到一个片上射频电感器件的准确模型，通过模型模拟出片上射 频电感器件的各种性质，从而能确定片上射频电感器件在制作过程中的各种 参数，相比于先制作出一个片上射频电感器件的样品，然后再测试该样品是 否符合要求的方法，采用模型进行模拟的方法能够大大加快片上射频电感器 件的设计和制作速率，提高工作效率。因此建立一个片上射频电感器件的准 确模型成为片上射频电感器件的设计过程中的一个关键。

但是，采用现有的片上对称电感的衬底涡流的模型，在模拟片上对称电 感的品质因子Q及其电感值L时精度很低，尤其在信号频率较高时，这种精 度低的情况尤为明显。

发明内容

本发明解决的问题是如何提高片上对称电感的品质因子Q及其电感值的 模拟精度。

为解决上述问题，本发明实施例提供一种片上对称电感的射频模型，所 述射频模型适于模拟所述片上对称电感的衬底涡流效应，所述片上对称电感 和半导体衬底之间隔离有介质层，所述射频模型包括N个衬底涡流等效电路， 以及N-1个衬底涡流变化等效电路，适于模拟所述片上对称电感的外圈与内 圈的衬底涡流变化趋势，N≥1。

可选地，所述衬底涡流由所述片上对称电感的外圈至内圈逐渐减小。

可选地，所述衬底涡流等效电路包括：介质层电容、衬底电容和衬底电 阻，其中：

所述衬底电容与所述衬底电阻并联后，与所述介质层电容串联；介质层 电容为所述电感和所述半导体衬底之间由介质层产生的电容，衬底电容和衬 底电阻分别为所述电感的所述半导体衬底产生的电容和电阻。

可选地，任意的所述衬底涡流变化等效电路，包括第一耦合电容、第二 耦合电容及耦合电阻其中至少一个。

可选地，所述衬底涡流变化等效电路包括第一衬底涡流变化等效电路， 所述第一衬底涡流变化等效电路包括所述第一耦合电容，且与所述第一衬底 涡流变化等效电路直接相邻的衬底涡流等效电路与所述片上对称电感的几何 中心的线圈对应时，所述第一耦合电容，一端与所述衬底涡流等效电路中的 其中一个的所述介质层电容的输出端耦接，另一端与所述衬底涡流等效电路 中的另一个的所述介质层电容的输出端耦接。

可选地，所述衬底涡流变化等效电路包括第二衬底涡流变化等效电路和 第三衬底涡流变化等效电路，其中第二衬底涡流变化等效电路和第三衬底涡 流变化等效电路均包括所述第一耦合电容，且与所述第二衬底涡流变化等效 电路和所述第三衬底涡流变化等效电路直接相邻的衬底涡流等效电路与所述 片上对称电感的几何中心的线圈均不对应时，所述第二衬底涡流变化等效电 路中的第一耦合电容与所述第三衬底涡流变化等效电路中的第一耦合电容与 所述衬底涡流等效电路的连接关系呈镜像对称结构，其中所述第二衬底涡流 变化等效电路中的第一耦合电容的一端与其中一个所述衬底涡流等效电路中 的所述介质层电容的输出端耦接，另一端与另一个所述衬底涡流等效电路中 的所述介质层电容的输入端耦接。

可选地，所述衬底涡流变化等效电路包括所述第二耦合电容，所述第二 耦合电容一端与直接相邻的、两个所述衬底涡流等效电路中的其中一个的所 述介质层电容的输出端耦接，另一端与其中另一个的所述介质层电容的输出 端耦接。

可选地，所述衬底涡流变化等效电路包括所述耦合电阻，所述耦合电阻 一端与直接相邻的、两个所述衬底涡流等效电路中的其中一个的所述介质层 电容的输出端耦接，另一端与其中另一个的所述介质层电容的输出端耦接。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

由于片上对称电感的衬底涡流呈现不均匀分布，故通过在射频模型中增 加N-1个衬底涡流变化等效电路，来模拟所述片上对称电感的外圈与内圈的 衬底涡流变化趋势，可以提高片上对称电感的品质因子Q及其电感值的模拟 精度。

附图说明

图1是现有技术中的一种片上对称电感的模型示意图；

图2是采用图1中示出的模型对片上对称电感的衬底涡流效应进行模拟 时所得到的电感感值L与测试频率f之间的关系仿真示意图；

图3是采用图1中示出的模型对片上对称电感的衬底涡流效应进行模拟 时所得到的品质因子Q与测试频率f之间的关系仿真示意图；

图4是本发明实施例中的一种片上对称电感的射频模型的结构示意图；

图5是本发明实施例中的一种衬底涡流等效电路的结构示意图；

图6是本发明实施例中的一种片上对称电感的射频模型的结构示意图；

图7是本发明实施例中的一种衬底涡流变化等效电路的结构示意图；

图8是采用图6中示出的模型对片上对称电感的衬底涡流效应进行模拟 时所得到的电感L与测试频率f之间的关系仿真示意图；

图9是采用图6中示出的模型对片上对称电感的衬底涡流效应进行模拟 时所得到的品质因子Q与测试频率f之间的关系仿真示意图。

具体实施方式

片上射频电感器件即为多个金属螺旋线圈，金属螺旋线圈会在其相应的 半导体衬底上产生电感线圈电流，电感线圈电流会在衬底中形成磁场耦合引 起的涡流以及电场耦合引出的位移电流。

为了更好地制作片上射频电感器件，如果能够先得到一个片上射频电感 器件的准确模型，通过模型模拟出片上射频电感器件的各种性质，从而能确 定片上射频电感器件在制作过程中的各种参数，相比于先制作出一个片上射 频电感器件的样品，然后再测试该样品是否符合要求的方法，采用模型进行 模拟的方法能够大大加快片上射频电感器件的设计和制作速率，提高工作效 率。因此建立一个片上射频电感器件的准确模型成为片上射频电感器件的设 计过程中的一个关键。

为使得本领域技术人员更好地理解和实现本发明，图1示出了现有技术 中的一种片上对称电感的模型，所述模型包括两部分，11为第一模拟等效电 路，适于模拟片上对称电感非衬底涡流之外的其它效应的等效电路，12为第 二模拟等效电路，适于模拟片上对称电感在衬底中产生的衬底涡流效应的等 效电路。

相应地，图2及图3示出了采用图1中示出的模型对片上对称电感的衬 底涡流效应进行模拟时所得到的结果，图2中的横坐标表示所述片上对称电 感的测试频率，纵坐标表示所述片上电感的感值；图3中的横坐标表示所述 片上对称电感的测试频率，纵坐标表示所述片上电感的品质因子Q；图2及 图3中的曲线21及31表示采用现有技术的模型得到的模拟曲线，曲线22及 32表示实际测试得到的数据所拟合出的曲线。比较图2中的曲线21及22可 知，采用现有模型模拟电感时，模拟电感值L的结果精度很低，比较图3中 的曲线31与曲线32，模拟品质因子Q的结果精度很低，并且在信号频率较 高时，这种精度低的情况尤为明显。

为解决以上所述问题，本发明实施例提供了片上对称电感的射频模型， 由于片上对称电感的衬底涡流呈现不均匀分布，故所述模型通过在射频模型 中增加N-1个衬底涡流变化等效电路，来模拟所述片上对称电感的外圈与内 圈的衬底涡流变化趋势，可以提高片上对称电感的品质因子Q及其电感值的 模拟精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图 对本发明的具体实施例做详细的说明。

以下示出了本发明实施例中的一种片上对称电感的射频模型的结构示意 图，所述射频模型适于模拟所述片上对称电感的衬底涡流效应，所述片上对 称电感和半导体衬底之间隔离有介质层，如图4所示，所述射频模型可以包 括N个衬底涡流等效电路，依次为41至4N，以及N-1个衬底涡流变化等效 电路，依次为51至5(N-1)。所述衬底涡流变化等效电路适于模拟所述片上 对称电感的外圈与内圈的衬底涡流变化趋势，N≥1。

需要说明的是，所述衬底涡流变化等效电路可以模拟所述电感的涡流变 化趋势，也就是说，可以模拟所述电感的涡流逐渐变大的趋势，也可以模拟 所述电感的涡流逐渐变小的趋势。在本发明一实施例中，所述衬底涡流由所 述片上对称电感的外圈至内圈逐渐减小。

在所述模型中，若模拟所述片上对称电感在射频条件下工作时的场景， 在所述片上对称电感的金属线圈和半导体衬底之间都设置有对应的电路结 构，即和衬底涡流效应有关的等效电路，任意一个金属线圈段所对应的衬底 涡流等效电路结构都如图5所示，所述衬底涡流等效电路包括：介质层电容 501、衬底电容502和衬底电阻503，所述衬底电容502与所述衬底电阻503 并联后，与所述介质层电容501串联，所述介质层电容501为所对应的金属 线圈段和衬底之间由介质层产生的电容，所述衬底电容502和所述衬底电阻 503分别为对应的金属线圈段的衬底产生的电容和电阻。

在具体实施中，任意的所述衬底涡流变化等效电路，可以包括第一耦合 电容、第二耦合电容及耦合电阻其中至少一个。比如衬底涡流变化等效电路 可以只是包括第一耦合电容，也可以只是包括第二耦合电容，还可以只是包 括耦合电阻，也可以同时包括第一耦合电容和第二耦合电容，也可以同时包 括第一耦合电容和耦合电阻，也可以同时包括第二耦合电容和耦合电阻，还 可以同时包括第一耦合电容、第二耦合电容及耦合电阻。

在具体实施中，所述衬底涡流变化等效电路可以有N个，为便于后续说 明，将其中一个称作为第一衬底涡流变化等效电路，所述第一衬底涡流变化 等效电路可以包括所述第一耦合电容，且在与所述第一衬底涡流变化等效电 路直接相邻的衬底涡流等效电路与所述片上对称电感的几何中心的线圈对应 时，所述第一耦合电容，一端可以与所述衬底涡流等效电路中的其中一个的 所述介质层电容的输出端耦接，同时另一端与所述衬底涡流等效电路中的另 一个的所述介质层电容的输出端耦接。

也就是说，如果所述第一衬底涡流变化等效电路包括第一耦合电容，且 有两个衬底涡流等效电路，分别叫做左与右衬底涡流等效电路，其中所述左 衬底涡流等效电路与所述第一衬底涡流变化等效电路直接相邻，且位于其左 边，所述右衬底涡流等效电路域所述第一衬底涡流变化等效电路直接相邻， 且位于其右边，当所述左及右衬底涡流等效电路与所述片上对称电感的几何 中心的线圈对应时，所述第一衬底涡流变化等效电路中的第一耦合电容的一 端可以与所述左衬底涡流等效电路中所述介质层电容的输出端耦接，同时另 一端与所述右衬底涡流等效电路中的所述介质层电容的输出端耦接，也可以 与所述右衬底涡流等效电路中所述介质层电容的输出端耦接，同时另一端与 所述左衬底涡流等效电路中的所述介质层电容的输出端耦接。

在具体实施中，所述衬底涡流变化等效电路可以包括2个衬底涡流变化 等效电路，为便于说明，分别称作第二衬底涡流变化等效电路和第三衬底涡 流变化等效电路，其中第二衬底涡流变化等效电路和第三衬底涡流变化等效 电路均可以包括所述第一耦合电容，当与所述第二衬底涡流变化等效电路和 所述第三衬底涡流变化等效电路直接相邻的衬底涡流等效电路与所述片上对 称电感的几何中心的线圈均不对应时，所述第二衬底涡流变化等效电路中的 第一耦合电容与所述第三衬底涡流变化等效电路中的第一耦合电容与所述衬 底涡流等效电路的连接关系呈镜像对称结构。

其中所述第二衬底涡流变化等效电路中的第一耦合电容的一端与其中一 个所述衬底涡流等效电路中的所述介质层电容的输出端耦接，另一端与另一 个所述衬底涡流等效电路中的所述介质层电容的输入端耦接，由于其镜像对 称关系，故所述第三衬底涡流变化等效电路中的第一耦合电容的一端与其中 一个所述衬底涡流等效电路中的所述介质层电容的输入端耦接，另一端与另 一个所述衬底涡流等效电路中的所述介质层电容的输出端耦接

在具体实施中，所述衬底涡流变化等效电路可以包括所述第二耦合电容， 所述第二耦合电容一端与直接相邻的、两个所述衬底涡流等效电路中的其中 一个的所述介质层电容的输出端耦接，另一端与其中另一个的所述介质层电 容的输出端耦接。

在具体实施中，所述衬底涡流变化等效电路可以包括所述耦合电阻，所 述耦合电阻一端与直接相邻的、两个所述衬底涡流等效电路中的其中一个的 所述介质层电容的输出端耦接，另一端与其中另一个的所述介质层电容的输 出端耦接。

为使得本领域技术人员更好地理解和实现本发明，以下示出了本发明实 施例中的一种片上对称电感的射频模型的结构示意图，如图6所示，需要说 明的是，图6中示出的射频模型与图1示出的射频模型模拟的是同一个片上 对称电感，所述图6可以包括上下两个部分，上半部分是所述片上对称电感 除了衬底涡流效应外的其它效应的模拟电路，适于模拟所述片上对称电感在 射频环境下工作时，所产生的其它效应，比如趋肤效应等，下半部分包括4 个衬底涡流等效电路，分别为衬底涡流等效电路61、62、63、及64，及3个 衬底涡流变化等效电路，分别为衬底涡流变化等效电路65、66及67。

其中，所述衬底涡流等效电路61可以包括介质层电容C11、衬底电容C12 和衬底电阻R13，所述衬底涡流等效电路62可以包括介质层电容C21、衬底 电容C22和衬底电阻R23，所述衬底涡流等效电路63可以包括介质层电容 C31、衬底电容C32和衬底电阻R33，所述衬底涡流等效电路64可以包括介 质层电容C41、衬底电容C42和衬底电阻R43。

任意一个所述衬底涡流变化等效电路的结构如图7中的70所示，在本发 明一实施例中，所述衬底涡流变化等效电路70可以同时包括第一耦合电容 C1、第二耦合电容C2及耦合电阻R1。

可以理解的是，图6中的任意所述衬底涡流变化等效电路的结构都可以 如7中的70所示，但是每个衬底涡流变化等效电路中的组件的具体参数可能 会有所不同。具体而言，比如图6中的所述衬底涡流变化等效电路65包括第 一耦合电容C51、第二耦合电容C52及耦合电阻R53，所述衬底涡流变化等 效电路66包括第一耦合电容C61、第二耦合电容C62及耦合电阻R63，所述 衬底涡流变化等效电路67包括第一耦合电容C71、第二耦合电容C72及耦合 电阻R73。所述第一耦合电容C51、第一耦合电容C61及第一耦合电容C71 可能不同。

结合图6和图7可知，衬底涡流等效电路62及63与所述片上对称电感 的几何中心的线圈对应，故衬底涡流变化等效电路66的第一耦合电容C61在 一端可以与所述衬底涡流等效电路62的介质层电容C21的输出端耦接，在另 一端可以与所述衬底涡流等效电路63的介质层电容C31输出端耦接。

而对于衬底涡流变化等效电路65，与之直接相邻的两个衬底涡流等效电 路61及62并非与所述片上对称电感的几何中心处的线圈对应，故所述衬底 涡流等效变化电路65的一端可以与所述衬底涡流等效电路61的介质层电容 C11输出端耦接，在另一端可以与所述衬底涡流等效电路63的介质层电容C31 输入端耦接。同理，可以看到所述衬底涡流变化等效电路66中的第一耦合电 容与所述衬底涡流等效电路65的连接关系呈镜像对称结构，在此不再赘述。

当衬底涡流变化等效电路包括所述第二耦合电容时，比如衬底涡流变化 等效电路66，其的第二耦合电容C62一端与所述衬底涡流等效电路62中的 所述介质层电容C21的输出端耦接，另一端与所述衬底涡流等效电路63的所 述介质层电容C31的输出端耦接。

当衬底涡流变化等效电路包括所述耦合电阻时，比如衬底涡流变化等效 电路67，其的第二耦合电容C72一端与所述衬底涡流等效电路63中的所述 介质层电容C31的输出端耦接，另一端与所述衬底涡流等效电路64的所述介 质层电容C41的输出端耦接。

采用本发明实施例中的片上对称电感的模型，具有更高的模拟精度。如 图8及9所示，图8示出了测试频率与电感的感值之间的关系，图9示出了 测试频率与电感的品质因子之间的关系，其中，曲线81及91表示通过模型 得到的曲线，曲线82及92表示直接根据实际的测试结果得到的拟合曲线。

比较图8中的曲线81及82可知，利用本发明实施例中的模型来模拟电 感，所得到的表示感值L的曲线82与实际测试所得到的曲线81的基本一致， 比较图9中的曲线91与曲线92可以看到，利用本发明实施例中的模型来模 拟电感，所得到的品质因子Q的曲线与实际测试所得到的曲线的基本一致， 也就是说，由于片上对称电感的衬底涡流呈现不均匀分布，故通过在射频模 型中增加N-1个衬底涡流变化等效电路，来模拟所述片上对称电感的外圈与 内圈的衬底涡流变化趋势，可以提高片上对称电感的品质因子Q及其电感值 的模拟精度。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员， 在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保 护范围应当以权利要求所限定的范围为准。